水电站进水口外包混凝土裂缝问题的分析

来源：职称驿站所属分类：电力论文发布时间：2012-08-15 09:30:01浏览：次

　　摘要：在水电站的施工中，进水口外端的混凝土外包常常会出现问题，容易出现混凝土的断裂情况，影响到了工程质量，本次研究通过对于一些数据的测定和分析，对裂缝段进行分析，根据长度、宽度、位置、形状等建立数字版型，在通过一些工程分析来确定发生外端混凝土断裂的原因，为今后水电站的建设提出建设性的意见。
　　关键词：水电站，进水口，外包，裂缝，分析
　　一、水电站概述
　　该水电站有6个大型进水口，分别是A1,A2，A3，A4，A5，A6，每个进水口宽为10•5m,底部高程105•5m,顶部高程为113•5m,比最低消掉在水里位4•0m低0•5m。水流变化段开始桩号为0+009•374m,连接0+016•793m,后接直径为5•8m的钢管,壁厚为mm,在斜管前后的上弯管和下弯管以及逐渐变化段,钢管厚为12mm,全长为180m。外包混凝土厚度为2.0m，出坝体后水泥壳厚度为0.6m。
　　在1999年的第三次水电站整体定期检查中，发现有几段受压的进水口外包混凝土出现裂痕，表面看裂缝不是非常明显，但是对于整个水电站的安全问题却有着重大的危险。本文针对裂隙发生的部位、裂隙长度、宽度和深度，剖析裂隙的成因以及与廊道裂隙的有关性，进一步剖析外包水泥裂隙对结构安全性的影响。
　　二、该水电站裂缝情况
　　1裂痕分布
　　研究中发现该水力发电站扩建机组压力钢管进水口外包水泥共检验测定到裂隙18条，共计长度为,69•69m,那里面压力钢管进水口外包水泥面平行坝轴线裂隙总计9条，铅直坝轴线裂隙8条，斜向裂隙1条；在A2压力钢管进水口水泥左侧面有裂隙2条，对应裂隙编号为L19、L20；A1压力钢管进水涎水泥右侧边墩处有裂隙1条，对应裂隙编号为L21、L22，裂隙L21较长，裂隙L22围绕右侧边墩,况且在此处发觉白蚁。这个之外，外包水泥上发觉3处渗水点、5处析钙。
　　2结构分析
　　该水电站在后来新装机中进水口是有原来的溢流坝体改建而成，虽然按照新装机的要求进行改进，但是有些部位依然保留着原来坝体的结构，管道与坝体是一个完整结构，互动互相影响，因为这个为理解下游坝面水泥在各种荷载组合效用下的静力响应，尤其是管道与大坝的连接部位的应力状况，务必施行管--坝群体三维有限元剖析，把钢衬作为一种单独的单元形态思索问题，由此树立的有限元板型，坝高在原来基础上进行了延伸，差异最大的地方延伸了一倍的坝高。下游延伸至坝下0+070•0m，建基面以下1倍坝高范围内的基础，依据已有裂隙的位置剖分网格并摹拟了廊道。板型总计81175个单元，,80809个节点，铅直于地面，上进为正，向前就是顺河流方向，两侧即为横河向。
　　3坝体进水口位移情况
　　基岩底边均视为固定边界，即喷出岩基础底边约束所有位移，基岩上下游边及基础两侧边按最简单的面应变问题处置，即基岩上下游边约束水准顺河向位移，喷出岩基础两侧边约束沿坝轴线水准位移。很多时候坝体在河流冲击作用力下就会发生位移，导致进水口出现裂缝，水泥坝的裂隙界面其实是接触问题，认为合适而使用接触算法可以成功实现对裂隙物理特别的性质的摹拟，但对坝体裂隙的几何性质没有办法准确摹拟，故而认为合适而使用复合节点单元，将单元的某一个节点变为2个节点。每个单元在节点处分开，多少个复合节点单元组拼凑，就可以在坝体外表或内里摹拟不一样宽度、深度及走向的裂隙，认为合适而使用接触算法来限止单元的相互镶嵌和洞穿。
　　4负载情况分析
　　1)坝体自重，自重是保持重力坝牢稳的主要荷载可依据下式确认:W=Vγc(1)式中γc为坝体材料容重;V为坝的大小。因为缺乏施月薪料,这处仅思索问题群体自重应力,即假定坝体的自重为平均散布整体的力量,一次性给予到坝体上,筑坝材料承重能力有限。
　　2)坝面上的水压力效，用在坝面上的静水压力是重力坝所承担的主要荷载,可依照水动力学原理计算,坝前面一任官吏一点儿静水压强可依据下式确认:p=γ0y(2)式中γ0为水的容重;y为该点水深。下水里游位对坝体影响较小,因为这个剖析中不思索问题下水里游位的影响。
　　3)管道内水压力，压力管道的主要荷载为内水压力,依据《进水口半群体水利工程板型尝试补给报告陈述》水动力板型尝试中测压管水头高程和时均动水压力计中的成果施行计算剖析。
　　4)温度荷载，坝下游面钢衬外包水泥下游外表为自由边界,其它与坝体水泥用动工缝连署,因为管道水泥归属薄壁结构,管道内水温较低,外包水泥又显露在大气中,受空气温度变动能萌生较大的温度应力,当应力超过水泥抗拉强度时,将会增大坝体已有裂隙的开度,同时还有可能在某些脆弱部位萌生一点新的裂隙,因为这个有不可缺少剖析温度荷载的效用。
　　三、水电站裂缝分析
　　通过测量中的数据可以进行如下的分析，通过公式进行裂缝成因的解释。上游面水温度、坝上空气温度和汲引管道内水温温度是影响的主要边界条件,外界空气温度和水温的周期性变动,对水泥内里的温度具备一定的影响，在水泥地区范围R内的温度场导热方程：
　　2Tx2+2Ty2+2Tz2=0，
　　同时，温度场必须满足边界条件和约束条件：当t=0时，T=T0(x,y,z)，在第1类边界条件T1：T=T1(x,y,z)(5)约束条件：Ti=T0i(x,y,z)(6)式中，T0为水泥起初温度，T1为水温和空气温度边界条件，T0i(x,y,z)为水泥温度计测值。较大温升时带缝板型获得的应力最大值为1•037MPa，发生在压力钢管逐渐变化段开始点与外包水泥接触的地方，拉应力值未超过水泥强度的预设值1•1MPa，剩下部位的应力均在预设准许的范围之内。
　　表是通过对现场水电站数据测量的实际值以及一些计算值，通过表中的数据，我们容易分析出改水电站混凝土出现裂缝的主要原因，当然这只是该水电站的数据结果，不同的地形以及不同规模的水电站其进水口外包的裂缝现象也应该不同。
　　表1数据处理结果分析
　　测量泊松比弹模容重γ 先膨胀
　　系数部位 μ E/MPa /(t•m-3) α(1/℃)
　　基岩 0.2 2•3e4 2.4 —
　　压力钢管 0.3 2•6e4 7.9 1.2e—5
　　溢流坝体 0.167 1•8e4 2.9 1.0e—5
　　钢管外包 0.167 2•06e5 2.2 1.0e—5
　　
　　四、结论
　　水电站中进水口外包混凝土的裂缝是一个非常常见的现象，对于水电站的正常运营存在着安全隐患，导致这些裂缝的因素也非常多。通过本次的研究可以得出如下结论：1在大幅度温度下降情况下，外包水泥下游面沿钢管轴线方向萌生的最大主应力均超过水泥抗拉强度的预设值，裂缝L6、L7、L13、L14、L12就是这种情况的结果，可能是在空气温度骤降的条件下萌生的，依据应力散布的事情状况，在该地区范围近旁的裂隙有进一步扩展或新裂隙萌生的有可能，因此削弱管道刚度，故在极冷季候要做好保暖办公。2在大幅度温度上升情况下，计算获得的最大主应力在预设值准许的范围之内，但在压力钢管逐渐变化段开始点与外包水泥接触的地方，部分有较大的应力萌生,若碰到空气温度骤升的事情状况,有可能在该范围内拉裂。3压力钢管以下的应力无较大的变动，研究中表明外包水泥已有裂隙对结构群体性的影响较小，水泥应力在材料抗拉强度预设值的准许范围之内，不会出现裂缝。依据应力散布范围可推断，廊道裂隙与A1钢管外包水泥右侧边墩裂隙L21之间的影响和进展贯通的有可能性细小。以上都是水电站中进水口出现混凝土裂缝的原因，希望此次研究可以给今后水电站建设提供参考。
　　
　　参考文献：
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　　[3]金以红.黄坛口水电站1#~4#水轮发电机组增容技术改造[J].水电厂自动化,2007,(1)